哈工大团队打造“六边形兵士”，微纳控制机器人中的“万能选手”

跟着探究微观世界脚步的不断加速，操作方针的标准从细胞水平缩小到了分子、原子水平，操作使命也从观测晋级到了改造。在这一过程中，微纳控制机器人发挥着极其重要的效果，其干流驱动办法包括电磁、静电、电热、压电等。虽然有为数众多的研讨成果或商业产品不断涌现，可是它们均面对一个严峻的应战——无法完成高精度、大行程、强承载和多自由度在单一机器人上的统筹。这意味着有必要规划彻底不同的机器人来满意各式各样的运用需求，极大地增加了研发本钱，也约束了微纳控制机器人的运用规模。

图1 | 电磁、静电、电热、压电驱动型微纳控制机器人举例

针对该项难题，哈尔滨工业大学机器人技能与体系国家重点试验室的刘英想教授团队在Wiley旗下期刊Advanced Intelligent Systems上宣布了题为《面向高功用微纳控制的仿生多足压电机器人规划思维》（Bioinspired Multilegged Piezoelectric Robot: The Design PhilosophyAiming at High-Performance Micromanipulation）的学术论文，提出了一种全新的微纳控制机器人规划理念，以一种通用且有用的办法完成了多种功用指标在单一压电机器人上的统筹，打造出了微纳控制机器人中的“万能选手”。

图2 | 微纳控制机器人在细胞手术中的运用

在该项研讨工作中，研讨人员受自然界中多足动物具有极佳的环境习惯性启示，依据它们的身体结构和运动办法，提炼总结出“运动功用模块”、“多单元协同作业”和“多办法交融”三个本质特征，并以此为根底提出了一种面向多维跨标准 控制的压电机器人的规划理念。详细而言，仿照多足动物健壮而灵敏的腿规划了具有多自由度运动才能的压电精细驱动腿，仿照多足动物多腿合作的运动办法将多个驱动腿以特定的拓扑结构组合来完成各种自由度的运动需求，仿照多足动物的多种运动办法规划了摇摆、滑移、行走三种运动步态，在不同的运动阶段运用相匹配的步态来完成多种功用指标的统筹。

图3 | 自然界中的多足动物：规划理念的创意来历

为了以试验的办法验证该规划理念的有用性和正确性，研讨人员规划了一种压电精细驱动腿，并组装成一个六足压电机器人，对其进行功用测验。试验成果表明，与现有的研讨成果或商业产品比较，该机器人在精度、行程、承载、速度、标准和自由度等方面的归纳功用具有明显的优势和前进，可谓微纳控制机器人中的“六边形兵士”。

图4 | 六足压电机器人与已有研讨成果或商业产品的功用比照

功用模块规划

与多足动物灵敏而健壮的腿足类似，研讨人员规划了一种三自由度压电精细驱动腿，作为压电机器人的根底功用模块。该压电精细驱动腿包括一组压电弹性叠堆和一组压电曲折叠堆，在鼓励电压的效果下其结尾可以输出三自由度的精细运动。经过调整鼓励信号，可以组成空间中恣意运动轨道，来完成对压电机器人全体的驱动效果。

图5 | 压电精细驱动腿的结构规划 图6 | 压电精细驱动腿的三自由度变形 图7 | 压电精细驱动腿的空间轨道组成运动

多单元协同作业

虽然压电驱动腿具有三自由度精细运动的才能，可是它的运动行程过小，且运动办法单一。为了完成多种功用指标在单一机器人上的统筹，研讨人员仿照多足动物的身体结构，将六个相同的压电驱动腿依照特定的拓扑结构组合形成了一个六足压电机器人，调整六个驱动腿的轨道与时序相互合作就可以使压电机器人以不同的办法完成运动输出。

图8 | 六足压电机器人的安装流程 图9 | 六足压电机器人的三维结构与什物相片

多办法交融驱动

自然界的多足动物选用多样化的步态来习惯不同的环境需求，研讨人员也为六足压电机器人规划了摇摆、滑移、行走三种运动步态来习惯各种改变的运用条件。其间，摇摆步态用于在小规模内输出超高精度的运动，这种步态具有空间中六个自由度，虽然其运动行程只能到达几十微米或几百微弧度的量级，可是其运动分辨力高达4nm或0.2μrad，即便是开环条件下的重复性精度也优于0.1μm或7μrad。为了完成更大的运动行程，根据步进累积原理的滑移步态可以将平面内三自由度的运动行程扩展至无限，并且这种步态的鼓励办法非常简略，最大运动速度可达1.89mm/s，适用于轻载大行程的运用需求。而在需求强壮承载才能的运用中，行走步态便可以大显神通，这种步态相同可以完成平面内三自由度的无限行程，不过最令人瞩目的仍是其强壮的承载才能——当负载从零改变至10kg时，其速度动摇最大不超越10%。这也就意味着该机器人凭仗本身0.45kg的分量，可以安稳驱动超越22倍自重的负载。

图10 | 六足压电机器人摇摆步态的运动原理 图11 | 六足压电机器人滑移步态的运动原理 图12 | 六足压电机器人行走步态的运动原理

这三种步态在结构上和谐一致，在运动输出区间上优势互补。因而，将它们集成到同一机器人上并在特定的条件下运用相匹配的步态，就可以完成多种功用指标在单一机器人上的统筹。详细而言，当机器人的实践方位间隔方针方位较远时运用滑移步态或行走步态逐渐接近方针方位，当方位差错减小后则切换到摇摆步态来进一步进步定位精度。在轻载条件下，可以运用滑移步态与摇摆步态的组合来简化鼓励办法；在重载条件下则运用行走步态与摇摆步态的组合来寻求愈加安稳的运动输出。试验成果表明，经过这三种运动步态的实时切换，六足压电机器人可以在毫米级的规模内完成5nm的闭环定位精度，具有了在不同载荷下完成多维跨标准运动输出的才能。

图13 | 多办法交融控制战略与闭环运动试验成果

运用拓宽与开展前景

凭仗优异的多维跨标准运动才能，研讨人员还尝试以视觉控制的办法将该机器人运用于多细胞的批量自动化操作中，完成了虾卵细胞和神经细胞在显微操作针下的精准定位，取得了令人满意的试验效果。借助于原子力显微镜等东西，该机器人还可以运用于超精细加工中以完成微观结构的刻画。除此之外，研讨人员还指出，虽然在此研讨工作中，六足压电机器人是进行试验研讨的首要方针，可是这并不意味着所提出的规划思维只适用于该类型的压电机器人。恰恰相反，这种规划思维具有极好的普习惯和迁移性，将压电驱动腿进行并依照所需求的拓扑结构组合，就可以以简略快捷的办法构建出具有不同功用的微纳控制压电机器人。凭仗这种规划理念，甚至有或许研发成一系列的微纳控制机器人宗族，从而构成一整套集定位、观测、操作于一体的微纳控制体系，来满意各种高功用的微纳控制需求。

图14 | 压电机器人运用于虾卵细胞和神经细胞的精准定位与操作 图15 | 压电机器人运用于超精细加工和微纳控制体系

研讨人员表明，这项研讨工作中所提出的规划思维不仅仅丰厚了微纳控制机器人的规划理论，可认为微纳控制范畴的研讨起到必定的参阅和启示效果，并且还能将实践运用中的微纳控制功率进一步进步，助推生命科学、材料科学、微纳制作等范畴的开展。